電磁流動解析手法の整備(2); 3次元解析手法の開発

Development of the Numerical Method for Liquid Metal Magnetohydrodynamics (II); Development of the 3D calculational method

大平 博昭; 荒 邦章 

Ohira, Hiroaki; Ara, Kuniaki

実用化戦略調査研究では、経済性の向上及び機器の高度化の観点から、液体金属高速炉の主冷却系に電磁応用機器を適用することを検討している。しかし、大容量化に伴う高流量かつ高磁場環境下での冷却材の流動現象は非常に複雑であり、これまでの研究において流動特性を評価するための実験や解析手法の開発は行われているものの、十分な現象把握は行われていない。そこで本研究では、上記の電磁流動現象を解明するための解析手法を整備するため、昨年度に開発した2次元解析手法を3次元へ拡張し、大型電磁ポンプ試験結果を用いて検証した。その結果、流路中心部において平坦化し壁面近傍では流速が大きくなるM型流速分布が得られるとともに、圧力損失特性は2次元解析結果よりさらに実験結果に近い値が得られ、3次元解析手法の有効性が確認された。次に、比較的少ない要素分割で、しかも精度良い解析評価が可能となる二層モデルを用いたLES手法を磁場環境へ適用するために、直流磁場がチャンネル体系に印加されている条件について解析を実施した。その結果、平均流速分布及び乱流強度とも実験結果及び詳細メッシュ分割モデルによる解析結果と比較的良く一致し、二層モデルを電磁乱流場へ適用できる見通しが得られた。

Advanced electromagnetic components are investigated in Feasibility Studies on Commercialized FR Cycle System to apply to the main cooling systems of Liquid Metal Fast Reactor. Although a lot of experiments and numerical analysis were carried out on both high Reynolds numbers and high magnetic Reynolds numbers, the complex phenomena could not be evaluated in detail. As the second step of the development of the numerical methods for the liquid metal magnetohydrodynamics, we extended the two dimensional model to the three dimension and calculated the magnetohydrodynamics in the large electromagnetic pump for the verification. The velocity profile in the flow region showed M-shape and the calculated pressure drop in the pump agreed better than that by the 2-D model. From these results it was concluded that this 3-D model was available for evaluating the pump characteristics. Mgnetohydrodynamic turbulent channel flows were also calculated by using an artificial wall boundary conditions for the purpose of saving the computational time. These results showed that both average profiles of the streamwise velocity and the turbulent intensities were agreed well with those by a detail model and experimental data. From these results, it could be estimated that the artificial wall boundary conditions were valid even in uniform magnetic fields.